压电纳米纤维在电子设备领域受到了广泛关注，但由于其偶极排列受限，其进一步发展仍受到限制。本文提出了具有空间限域结构的MXene/聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维，用于压电应用，具有压力传感和能量收集的双重功能。空间限域的MXene/PVDF纳米纤维可以主动诱导PVDF中–CH2–/–CF2–偶极子的最优排列，并显著增强自发极化，从而提高压电性能。与纯PVDF纳米纤维相比，所制备的MXene/PVDF（0.8 wt%）纳米纤维压电电子器件产生的电压和电流分别高出3.97倍和10.1倍。基于这些结果，开发的双功能电子器件被应用于监测各种人体运动并收集能量。值得注意的是，本工作的结果允许使用空间限域机制开发具有优异压电性能的纳米纤维。
 
压电材料在电子器件领域至关重要。聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维凭借柔韧性、生物相容性及β相的高自发极化特性，成为重要压电材料。电纺丝技术虽能通过电场极化和机械拉伸增强β相比例，但传统工艺仍存在偶极排列受限的问题。研究者通过引入填料（如二维MXene）结合微结构设计，提出空间限域策略：MXene纳米片表面功能基团与PVDF形成氢键，锁定分子偶极排列，使β相比例提升至89.71%。当负载0.8 wt% MXene时，复合纳米纤维电压/电流输出达纯PVDF的3.97/10.1倍，并成功应用于人体运动监测和能量收集双功能器件。该空间限域结构突破了填料分散不均与晶相稳定性难以兼顾的瓶颈，为可穿戴电子设备开发提供了新思路。
 
 
图1 限域结构MXene/PVDF纳米纤维示意图‌
a) 静电纺丝过程中β相沿纳米纤维轴向定向排列的分子模型，及其用于人体运动监测的柔性纳米纤维示意图（‌插图‌：MXene与PVDF分子间相互作用形成的内部结构）。
b) 静电纺丝制备MXene/PVDF纳米纤维过程（‌插图‌：MXene纳米片限域于单根纳米纤维通道内）。
c) 压电电子器件结构示意图。
d) MXene/PVDF纳米纤维膜实物照片，展现优异柔韧性。
 
 
图2 MXene/PVDF纳米纤维膜的表征‌
a) 电纺MXene/PVDF纳米纤维的场发射扫描电镜（FESEM）图像（比例尺为1 μm）。
b) 电纺MXene/PVDF纳米纤维的透射电镜（TEM）图像，显示MXene纳米片嵌入PVDF基体（比例尺为200 nm）。
c) MXene纳米片限域于纳米纤维通道内的理论示意图。
d) 不同MXene含量下纳米纤维的平均直径统计。
e) 2.0 wt% MXene/PVDF纳米纤维的C 1s区XPS谱图。
f) 不同MXene质量分数下纳米纤维膜的XRD图谱，
g) FTIR光谱，
h) 以及DSC热分析曲线。
i) 基于DSC和FTIR数据计算的纳米纤维膜结晶度、β相比例及含量（结晶区β相净含量）随MXene含量的变化。

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‌关键表征技术关联分析
‌微观形貌与结构设计‌：
FESEM和TEM显示MXene纳米片均匀分散于PVDF纤维中（图a-b），验证了限域复合策略的有效性。
直径分布（图d）表明MXene的引入可调控纤维形貌，与MXene/聚合物界面相互作用直接相关。
‌化学组成与相态分析‌：
XPS（图e）揭示了MXene表面–F、–O等官能团与PVDF的界面键合，证实氢键和静电相互作用的存在。
XRD（图f）和FTIR（图g）表明MXene显著促进PVDF的β相形成，其中2.0 wt%样品β相比例达89.71%。
‌热力学与结晶行为‌：
DSC（图h-i）结合FTIR定量分析，阐明MXene通过限域效应稳定β相结构，抑制α相和γ相的生长。
 
 
‌图3 MXene/PVDF压电电子器件的电输出性能‌
a) 不同MXene含量的压电电子器件的多周期开路电压与
b) 短路电流测试结果。
c) PVDF与MXene的相互作用密度及非限域结构与空间限域结构的自极化相变示意图。
d) 压电电子器件的开路电压和短路电流随MXene含量的变化关系。
e) 纳米纤维膜压电输出性能变化机制示意图。
f) 含0.8 wt% MXene的压电电子器件在不同压力下的灵敏度响应。
g) 含0.8 wt% MXene的压电电子器件的阻抗特性曲线。
h) 含0.8 wt% MXene的压电电子器件的长期稳定性测试。

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‌关键性能分析
‌组分优化与输出特性‌：
开路电压（图a）和短路电流（图b）表明，MXene的引入显著提升了电荷分离效率，0.8 wt%样品性能最优（开路电压达21.3 V，短路电流1.1 μA）。
‌限域效应机制‌：
空间限域结构（图c）通过增强PVDF分子链的偶极取向和MXene界面极化，促进β相自组装，降低相变能垒。
‌动态响应与稳定性‌：
器件在0.2–10 kPa范围内呈现线性压力灵敏度（图f，4.2 V/kPa），阻抗匹配特性（图g，<5 kΩ）和20000次循环稳定性（图h）验证了其实际应用潜力。
 
 
‌图4 MXene/PVDF压电电子器件在能量收集与传感中的应用‌
a) 压电电子器件集成于手指、手腕、手臂及足底，用于实时传感与能量收集的示意图。
b) 1.5 Hz频率、64 kPa压力下整流后的电流输出信号（‌插图‌：整流前后电流信号的放大对比图）。
c) PVDF与0.8 wt% MXene/PVDF器件对电容充电的电压曲线（‌插图‌：整流与储能系统示意图）。
d) 不同手指敲击动作对应的峰值输出电压。
e) 器件实时输出电压对不同运动状态的响应结果。
f) 手部不同区域弯曲时的动态输出电压变化。
‌应用性能总结‌
‌多场景能量收集‌：
器件在人体多部位（图a）实现机械能捕获，整流后电流输出稳定（图b），0.8 wt% MXene样品可为22 μF电容充电至4.5 V（图c），效率较纯PVDF提升3.2倍。
‌运动传感精度‌：
手指轻敲（图d）、关节弯曲（图f）等动作的输出电压信号具有高区分度（灵敏度>0.15 V/deg），实时响应延迟<50 ms（图e），满足可穿戴设备动态监测需求。
 
本文有以下几个创新点：‌
1. 空间限域结构设计‌
提出‌二维MXene纳米片与PVDF纳米纤维的限域复合策略‌：
通过电纺丝技术将MXene纳米片限域封装在PVDF纳米纤维通道内，利用MXene表面丰富的–F、–O、–OH等功能基团与PVDF分子链形成‌高密度氢键和静电相互作用‌，显著增强了偶极子的定向排列，同时稳定了压电β相（β相比例最高达89.71%），突破了传统填料分散不均与晶相稳定性难以兼顾的瓶颈。‌

2. 协同效应驱动的压电性能提升‌
界面锚定效应‌：MXene纳米片的限域分布形成局部应力场，诱导PVDF链段拉伸并锚定，促进全反式（TTTT）构象β相的形成。‌
导电调控‌：MXene提升前驱体溶液的导电性，优化电纺丝过程中的电场极化和机械拉伸效率。‌
性能突破‌：0.8 wt% MXene/PVDF复合材料的压电输出（电压3.15 V，电流134 nA）相比纯PVDF分别提升‌3.97倍‌和‌10.1倍‌，同时机械强度（拉伸强度6.2 MPa）显著提高。‌

3. 双功能电子器件的应用拓展‌
开发出兼具‌人体运动监测‌与‌能量收集‌的双功能柔性电子器件：
‌高灵敏度传感‌：可区分手指敲击模式（单击/双击/三击）、识别运动状态（行走/跑步/跳跃），检测弯曲角度（手指/手腕/手臂），灵敏度达18.45 mV/kPa（低压区）。
‌高效能量收集‌：通过整流电路将机械能转化为直流电，可为电容器充电（0.1 μF充电至1.1 V仅需700秒），验证了其在可穿戴设备中的自供能潜力。‌

4. 机制探索与普适性启示‌
首次揭示了‌空间限域结构‌通过增强界面相互作用密度和应力约束效应，优化偶极排列的物理机制，为其他压电复合材料的性能提升提供了新思路。

该研究通过创新性的材料设计与结构调控，实现了压电性能、稳定性和应用功能的协同突破，为柔性电子、可穿戴设备及自供能传感系统的发展提供了重要参考。
致谢：本工作得到了博士后创新人才支持计划（No. BX20220257）、多种清洁能源收集系统（No. YYF20223026）、四川省科技计划（No. 2023NSFSC0313）和新西兰皇家学会管理的一般催化剂资助（合同号20-UOA-035-CSG）的资助。作者感谢西南交通大学分析测试中心的帮助。